一篇文章带你探索透明工厂建设之路

  1国内外透明工厂建设的现状分析  

  在近年来，全球各主要经济体都在大力推进制造业的复兴。在工业4.0、工业互联网、物联网、云计算等热潮下，全球众多优秀制造企业都开展了透明工厂建设实践。 

  例如，西门子安贝格电子工厂实现了多品种工控机的混线生产；FANUC公司实现了机器人和伺服电机生产过程的高度自动化和智能化，并利用自动化立体仓库在车间内的各个智能制造单元之间传递物料，实现了最高720小时无人值守；施耐德电气实现了电气开关制造和包装过程的全自动化；三菱电机名古屋制作所采用人机结合的新型机器人装配产线，实现从自动化到智能化的转变，显着提高了单位生产面积的产量。

  当前，我国制造企业面临着巨大的转型压力。  

  一方面，劳动力成本迅速攀升、产能过剩、竞争激烈、客户个性化需求日益增长等因素，迫使制造企业从低成本竞争策略转向建立差异化竞争优势。在工厂层面，制造企业面临着招工难，以及缺乏专业技师的巨大压力，必须实现减员增效，迫切需要推进透明工厂建设。  

  另一方面，物联网、协作机器人、增材制造、预测性维护、机器视觉等新兴技术迅速兴起，为制造企业推进透明工厂建设提供了良好的技术支撑。再加上国家和地方*的大力扶持，使各行业越来越多的大中型企业开启了透明工厂建设的征程。  

  但是，我国制造企业在推进透明工厂建设方面，还存在诸多问题与误区，例如：盲目购买自动化设备和自动化产线但却没有配备相应的软件系统；尚未实现设备数据的自动采集和车间联网；工厂运营层还是黑箱缺乏信息系统支撑；设备绩效不高；依然存在大量信息化孤岛和自动化孤岛。 

  究其原因，是智能制造和透明工厂涵盖领域很多，系统极其复杂，企业还缺乏深刻理解。在这种状况下，制造企业不能贸然推进，搞“大跃进”，以免造成企业的投资打水漂。应当依托有实战经验的咨询服务机构，结合企业内部的IT、自动化和精益团队，高层积极参与，根据企业的产品和生产工艺，做好需求分析和整体规划，在此基础上稳妥推进，才能取得实效。

  2何谓透明工厂  

  透明工厂是以产品全生命周期的相关数据为基础，在计算机虚拟环境中，对整个生产过程进行仿真、评估和优化，并进一步扩展到整个产品生命周期的新型生产组织方式。是现代数字制造技术与计算机仿真技术相结合的产物。  

透明工厂由虚拟工厂和物理工厂组成。

  虚拟工厂，在计算机内的虚拟空间使工厂建模，考虑现实工厂的状况使虚拟工厂运行，进行动画处理的仿真功能，描述虚拟世界数字模型间的交互，提高制造端创造价值过程的透明度，使复杂系统的正确决策与建立成为可能。

  物理工厂，面向制造执行过程，以过程控制和智能分析技术为核心，搭建数字化生产管理平台，支持生产过程的可控、可追溯和柔性化，信息模型描述生产系统在现实世界中的行为及交互，跟踪控制制造过程，保障生产运行平稳，提供服务支持。

  通过虚拟工厂输入管理信息对现实世界的决策与执行产生重要影响，而虚拟工厂也通过物理工厂信息模型保持模型与现实世界同步。虚实融合，支持制造系统的持续改进与优化。

  3解决方案框架  

  透明工厂整体框架如下：

  1、工厂布局与仿真 

  结合工厂规划设计模式的要素以3D形式定义工厂布局，根据可以通过使用已有的工厂模型，导入并提取 2D 工程图，使模型能够进入定义的位置，进行工厂整体模型搭建。 

  2、生产评估与仿真  

  通过已经建立的完整3D工厂（厂房）及数字化产线环境，并结合人机工程模块，进行人机工效的评估，同时结合平台仿真模块，进行人员流、物流以及生产线的分析、模拟，从而真实反映产品从零件到装配、到工位、到流水线、到工厂的生产过程，直观分析产品的可制造性、可装配性、可拆卸性和可维护性，优化制造过程。

  3、数据采集  

  数据采集的内容丰富，包括了人员、设备、材料、方法、环境、检测等众多内容；数据采集的方式多样，TCP/IP以太网方式、数据采集卡方式、系统集成方式、人工辅助方式；  

  通过数据采集实现了生产设备的联网，构建出车间生产现场综合数据的交换，可以将设备状态、车间工况、生产数据予以采集、传递、分析等，最大程度满足生产管理需要等，实现生产管理的大数据存储以及云计算功能。为智能制造工作环节提供了技术支撑，成为智能制造的基础。 

  4、数据处理  

  由于采集数据的多样性，传统关系型数据库无法满足非结构化和半结构化数据的处理需求，且数据处理性能无法满足透明工厂的要求。需要使用新一代数据库（如Hadoop/NoSQL）对透明工厂采集数据进行统一存储；并使用ETL工具将各种数据进行清洗、转换。

  同时采用适当的统计分析方法结合大数据处理工具对收集来的大量数据进行分析，提取有用信息和形成结论从而对管理层决策提供数据支撑。 

  5、生产过程可视化  

  基于对工厂数据采集与分析，在三维虚拟工厂中进行直观展现，管理人员和操作人员通过车间监控大屏、PC机及移动终端。在不影响设备运行情况下，实时掌握设备运行现状；实时掌握生产订单执行情况；加工工艺过程的3D可视化展示；仓库物流过程可视化展示等等，并可以进行工厂虚拟漫游。 

  6、智能决策分析  

  通过物理世界行为和状态的改变动态实时地在虚拟世界上展示，虚拟世界基于物理世界传递而来的环境感知数据、生产状态数据以及产品数据、经验与知识数据等进行智能分析与决策，并实时控制物理世界实物的状态和行为。虚实融合实现智能决策与分析。共分成四个层次进行实现：

  4收益  

  透明工厂利用其工厂布局、工艺规划和仿真优化等功能手段，改变了传统工业生产的理念，给现代化工业带来了新的技术革命，其优势作用较为明显。  

  预规划和灵活性生产：利用透明工厂技术，整个企业在设计之初就可以对工厂布局、产品生产水平与能力等进行预规划，帮助企业进行评估与检验。同时，透明工厂技术的应用使得工厂设计不再是各部门单一地流水作业，各部门成为一个紧密联系的有机整体，有助于工厂建设过程中的灵活协调与并行处理，增强生产、物流、管理过程中的灵活性和自动化水平。  

  缩短产品上市时间、提高产品竞争力：透明工厂能够根据市场需求的变化，快速、方便地对新产品进行虚拟化仿真设计，加快了新产品设计成形的进度。同时，通过对新产品的生产工艺、生产过程进行模拟仿真与优化，保证了新产品生产过程的顺利性与产品质量的可靠性，加快了产品的上市时间，在企业间的竞争中占得先机。 

  节约资源、降低成本、提高资金效益：通过透明工厂技术方便地进行产品的虚拟设计与验证，最大程度地降低了物理原型的生产与更改，从而有效地减少资源浪费、降低产品开发成本。同时，充分利用现有的数据资料进行生产仿真与预测，对生产过程进行预先判断与决策，从而提高生产收益与资金使用效益。  

  提升产品质量水平：利用透明工厂技术，能够对产品设计、产品原料、生产过程等进行严格把关与统筹安排，降低设计与生产制造之间的不确定性，从而提高产品数据的统一性，方便地进行质量规划，更准确的预测质量趋势，更有效的控制质量缺陷提升质量水平。  

  最后，透明工厂虽有很多的优势，但企业也不宜盲目跟风。建设透明工厂，应围绕企业的中长期发展战略，根据自身产品、工艺、设备和订单的特点，合理规划透明工厂的建设蓝图。在推进规范化、标准化的基础上，从最紧迫需要解决的问题入手，务实推进透明工厂的建设。